WiFi+IR 通合模块的设计与实现

何群奎

（成都旭光科技股份有限公司，四川成都，610100）

1 绪论

随着物联网技术的飞速发展，基于WiFi、蓝牙、IR 协议实现家电系统的智能化进入普及，传统广播电视也向智能互联网切换。

WiFi+IR 通合模块是智能电子收发设备中极其重要的一个组成部分，主要用于完成WiFi 及蓝牙射频信号的收发，MIC、ACC、IR 等传感器的控制。

本文从WiFi+IR 通合模块的电路原理入手，着重研究了如何从结构、电路原理、PCB 布线等各个环节进行抗干扰设计，并提供了一些实用的、经过验证的抗干扰设计技术，可有效提高通合模块电路设计性能。

2 WiFi+IR 通合模块的功能

WiFi+IR 通合模块，将传统独立的遥控接收IR 模块与WiFi模块整合在一起，方便电视整机设计，改善WiFi模块性能。

此通合模块，集成振动感知、语音接收、2.4GHz 和5GHz WiFi/蓝牙射频信号接收、可见光感知和红外收发等多频段信号单元，使智能互联网电视设计更加紧凑合理，克服了以往设计中液晶屏和主板对接收性能的影响，提升其数据接收吞吐量及传感器感知能力。模块嵌入电视面板的家庭物联智能控制中心，在智能电视的娱乐功能的基础上，增加了智能电视的控制中心功能，实现了家庭物联控制。802.11b/g/n/ac+BT5.0的无线局域网收发器，并结合了多种传感器的Combo 模块。通过20Pin的连接器连接到TV设备上使用。

本产品主要由WiFi、BT 天线及阻抗匹配电路、集成电路MT7668、光照传感器、加速度传感器、声音传感器、红外收发器、电源供应管理单元及连接端口等组成，如图1所示。

图1 WiFi+IR通合模块系统框图

WiFi+IR 通合模块的核心器件采用MTk 公司生产的高性能的集成电路MT7668，这是一款支持双通道11ac 双频及蓝牙5.0 二合一芯片，其是一种高集成度的单片机，拥有32位MCU，可处理WiFi 和蓝牙任务，支持高数据吞吐量，速率867Mbps，其支持一种深度睡眠模式，PMU 可配置为低功耗状态，以节省功耗。接收WiFi 信号时，RF 信号首先通过WiFi 天线进入，经过高频滤波电路滤除其它无用杂波，再通过双工器分为2.4G和5.0G 两路信号分别进入芯片MT7668 进行LNA 放大、混频、解调基带处理等功能；发射时，把逻辑电路处理过的发射基带信息进行调制、经PA

3 WiFi+IR 通合模块的电路原理

本型WiFi+IR 通合模块适用于2.4G/5G 频段IEEE放大后由天线辐射出去。BT 信号的收发同WiFi 信号，只是采用单独的蓝牙天线。

Color Sensor：自动感应外部光照强度，通过I2C 接口，读取光照强度值。

声音传感器：数字MIC 功能，输出PDM 格式语音信号；包含MIC 开关，可以选择开启关闭MIC 功能。

加速度传感器：通过I2C接口，读取XYZ坐标位置变化信息。

红外接收和发射：包含IR 接收LED 和IR 发射LED，直接由PIN 控制输入和输出。

■3.1 天线及天线匹配回路

产品无线化必须要有天线，天线是将信号发射到空间和从空间接收信号的最关键组件。本通合模块配有两个WiFi天线和一个BT 天线，两个WiFi 天线都为2.4G和5G 双频天线。天线匹配回路就是调整天线在传输线端子处的匹配，实现天线和馈线间有好的匹配以获得最好的信号增益。天线完成信号的发射和接收，电容C1、电容C2 为天线的匹配回路，使天线在PCB 上的阻抗匹配到50Ω。同时由电感L1、电容C4、电感L2、电感L3、电容C5 构成带通滤波器，对无用的干扰信号进行抑制，选择有用频段的信号。电路如图2所示。

图2 天线及天线匹配回路

■3.2 DC/DC 转换电路

集成电路MT7668AUN、RGB 光照传感器、加速度传感器、声音传感器及红外接收器的工作电压都是直流3.3V，整机提供过来的电压为5V，所以模块内部设置了一个5V →3.3V的DC/DC 转换电路。降压芯片选用DIOO 公司的DIO6922DN6，其输出电流可达2A，完全可以满足模块的使用；电容C10（10μF）、C11(100nF)、C12(10nF) 为输入滤波电容；C13(100nF)为自举电容，抑制振铃；C14（22μF）、C15（10μF）是输出滤波电容；R10(49.9kΩ)、R11(11kΩ)是反馈电阻，选用1%精度以得到精确的输出电压；L10(4.7μH)是功率电感，选用高Q 值、低内阻大电流线绕电感，能有效抑制纹波，如图3所示。

图3 DC/DC转换电路

■3.3 红外发射、接收电路

红外发射电路由波长940nm的红外发射管IR-LED组成，整机直接控制红外发射管发射。红外接收电路由RAYTRON 公司的芯片ROM-SA138MV 及外围电路组成，芯片内部集成了自动增益放大器、解调器等电路，直接输出VOUT 供后级处理；C30(100nF)和C31(22μF)为滤波电容，在VOUT 输出引脚上拉一个电阻R30(10kΩ），使信号更稳定，VCC 输入串联一个电阻R31(22Ω），与电容组成RC，起到限流降压作用，进一步加强接收头稳定性，如图4所示。

图4 红外发射、接收电路

■3.4 声音传感器控制电路

声音传感器控制电路由MIC 和SWITCH 构 成， 数 字 式MIC, 输 出PDM 格 式 语 音 信 号，SWITCH 为 手动式滑动开关，可以选择开启或关闭MIC 功能，如图5所示。

图5 声音传感器控制电路

4 WiFi+IR 通合模块的硬件实现

WiFi+IR 通合模块的工作频率为2400~5800MHz，硬件设计时需要充分考虑射频电路的特性。由于工作频率较高，电路设计时要兼顾分布参数特性，印刷电路板的走线必须看成是带有寄生电容和电感的传输线，并要设计传输线的阻抗。在模块内部，具有频率为40MHz的晶体振荡信号及其产生的各种谐波干扰信号，电视主板上也有各种频率的干扰，如果不能很好地抑制这些噪声，就会对EVM 和接收灵敏度产生影响。所以，为了能够有效地抑制这些干扰噪声，印刷电路板的布局、走线等设计原则，抗干扰、电磁兼容方面都成为电路设计的重点，印刷电路板的排版布局甚至影响整个电路的成败。即使有足够正确无误的原理图，PCB 版图设计不合理也会使得制作出来的产品完会无法正常工作。

■4.1 WiFi+IR 通合模块的结构设计

本产品是一个独立的部件。WiFi 部分除天线外采用金属屏蔽盖隔离，减小与其他电路的相互干扰；整个模块外套一个塑料外壳，可以直接扣合于整机上使用，外壳在天线、LED 指示灯及声音传感器的位置处开有通孔，保证信号能很好地通过。

在产品设计初期，就首先需要进行金属屏蔽罩及塑料外壳结构件的整体规划。金属屏蔽罩设计，在满足装配工艺要求的同时，重点考虑抗干扰设计，用屏蔽罩将集成电路MT7668AUN 及晶体振荡电路与天线、RF 回路及各传感器电路进行隔离，可以抑制产品使用环境中大量存在的LTE和WiFi 等微波信号的干扰，保证EVM 和接收灵敏度达到指标要求。外壳体的设计，在天线及声音传感器的位置处开孔时应配合整机的布局，避让在整机处的遮挡物，避免遮挡物对信号造成衰减，同时要考虑壳体的材质，选用透光性好的材质，满足光照传感器的透光要求。如图6、图7所示。

图6 壳体结构

图7 模块安装位置

■4.2 器件摆放位置

所有的器件都放置在正面，一方面可以使印制板反面成为一个完整的信号回流路径，形成一个大面积的接地面，减小干扰噪声。另一方面便于元器件的贴装，减小由贴装带来的虚漏焊失效。

4.2.1 天线的位置

两路WiFi 天线各放置于PCB 板的两端，一路BT 天线放置于PCB 板中部，尽量三个天线相互远离提高其隔离度，减少天线间的相互干扰；三个天线都置于PCB 板边缘，利于信号的良好收发。

4.2.2 传感器的位置

光照传感器、IR 收发器及声音传感器都靠近PCB 板边放置，配合整机结构考虑，上整机时靠近传感器位置不能有遮挡物，以免对传输信号造成影响。

■4.3 印制板的设计

为了保证良好的抗干扰性能，本产品PCB 采用了四层板。元器件皆放置于TOP 层，便于贴装，RF 线只走在第一层，保证阻抗匹配；第二层为系统地，阻抗参考层，没有信号走线，采用连续的地平面布局，便于获得尽可能短的地环路，为第一层和第三层提供高度的电气隔离，使两层之间的耦合最小，抑制噪声的引入；第三层为电源层，采用星型拓扑的走线，以减小IC 不同电源引脚之间的耦合，降低噪声引入；第四层放置控制走线与高频信号线隔离。

RF 走线严格按单端50Ω、差分100Ω 设计，USB 走线按差分90Ω设计，以保证良好的阻抗匹配，减少信号的损耗。如图8所示。

图8 PCB Layout

5 WiFi+IR 通合模块的测试

合理的电路设计是保证WiFi+IR 通合模块性能的基础，在这个基础上还需要进行精准的调试，才能制造出合格的产品。针对WiFi+IR 通合模块的自身的特点，采用了与传统模拟电子调谐器不同的测试方案。除了进行传统的模拟电视性能指标测试标外，还需要对数字电视性能指标都要进行必要的调试，才能确保产品的性能要求。

仪器：WT200 综合测试仪、电脑、电源。

6 结论

WiFi+IR 通合模块是目前市场上非常重要的电视接收机器件，朝着高集成度、高性能、小型化、低成本的方向发展。在其设计与制作的过程中，良好的电路原理、结构、PCB版图设计是其性能最基本的保证；在此基础上对产品进行精准地调试，才能制造出合格可靠的产品。本文完成WiFi+IR通合模块的设计与制作，经测试该产品工作稳定可靠，噪声低、抗干扰性能好，并且较好地考虑了成本控制。

表1 WiFi性能测试

表2 传感器测试